(57)【要約】  本発明は、触媒活性粒子と、印加された交流電磁場に応答して誘導加熱することができる、超常磁性酸化鉄ナノ粒子などの磁性材料との混合物を含む触媒組成物を提供する。触媒活性粒子は、典型的には、卑金属、白金族金属、卑金属もしくは白金族金属の酸化物またはこれらの組み合わせを含み、ディーゼル酸化触媒、触媒化煤フィルター、リーンＮＯｘトラップ、選択接触還元触媒、アンモニア酸化触媒または三元触媒などの様々な触媒系における使用に対して適合されている。本発明はまた、触媒組成物を含む触媒物品と、電流を受け、それに応答して交流電磁場を発生させるための導体であって、発生交流電磁場が磁性材料の少なくとも一部に印加されるように配置された導体とを含む、触媒材料を加熱するためのシステムおよび方法も含む。
2019523694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒活性粒子と、印加された交流電磁場に応答して誘導加熱することができる磁性材料との混合物を含む触媒組成物。
【請求項２】
磁性材料が超常磁性である、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項３】
磁性材料が粒子状である、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項４】
磁性材料がナノ粒子状である、請求項３に記載の触媒組成物。
【請求項５】
磁性材料が、遷移金属または希土類金属を含む、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項６】
磁性材料が、超常磁性酸化鉄ナノ粒子を含む、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項７】
磁性材料が、ネオジム−鉄−ホウ素粒子またはサマリウム−コバルト粒子を含む希土類含有微粒子材料を含む、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項８】
触媒活性粒子が、一酸化炭素の酸化、炭化水素の酸化、ＮＯｘの酸化、アンモニアの酸化、ＮＯｘの選択接触還元およびＮＯｘ貯蔵／還元のうちの１つまたは複数に対して適合されている、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項９】
触媒活性粒子が、多孔質担体中に含浸またはイオン交換された一種または複数の触媒金属を含む、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項１０】
多孔質担体が、耐熱金属酸化物またはモレキュラーシーブである、請求項９に記載の触媒組成物。
【請求項１１】
一種または複数の触媒金属が、卑金属、白金族金属、卑金属または白金族金属の酸化物およびこれらの組み合わせから選択される、請求項９に記載の触媒組成物。
【請求項１２】
触媒活性粒子が、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、触媒化煤フィルター（ＣＳＦ）、リーンＮＯｘトラップ（ＬＮＴ）、選択接触還元（ＳＣＲ）触媒、アンモニア酸化（ＡＭＯｘ）触媒または三元触媒（ＴＷＣ）として使用するのに適合されている、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項１３】
触媒活性粒子が、揮発性有機炭化水素（ＶＯＣ）酸化触媒または室温炭化水素酸化触媒として使用するのに適合されている、請求項１に記載の触媒組成物。
【請求項１４】
触媒材料を加熱するのに適合されたシステムであって、
ガス流に対して適合された複数本のチャネルおよび各チャネルに付着された触媒層を含む基材の形態の触媒物品であり、触媒層が、請求項１から１３のいずれか一項に記載の触媒組成物を含む、触媒物品と、
電流を受け、それに応答して交流電磁場を発生させるための導体であり、発生交流電磁場が磁性材料の少なくとも一部に印加されるように配置された、導体と
を含む、システム。
【請求項１５】
導体が、触媒物品の少なくとも一部を取り囲む導線のコイルの形態である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
導体に交流を供給するために導体に電気的に接続された電源をさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
基材が、フロースルー基材またはウォールフローフィルターである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
触媒物品に入るガスの温度を測定するために配置された温度センサおよび温度センサと連通しているコントローラをさらに含み、コントローラは、触媒層の誘導加熱が望まれるときにコントローラが導体に電流を流すことができるように、導体が受けた電流の制御に対して適合されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
内燃機関からの排気物質を処理する方法であって、
内燃機関内で排気ガスを発生させること、
ガス流に対して適合された複数本のチャネルおよび各チャネルに付着された触媒層を含む基材の形態の触媒物品であり、触媒層が、請求項１から１３のいずれか一項に記載の触媒組成物を含む触媒物品と、電流を受け、それに応答して交流電磁場を発生させるための導体であり、発生交流電磁場が磁性材料の少なくとも一部に印加されるように配置された導体とを含む排出制御システム内で、排気ガスを処理すること、ならびに
導体に電流を通すことにより導体に間欠通電して、交流電磁場を発生させ、磁性材料を誘導加熱して、触媒層を所望の温度まで加熱すること
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン排出物の処理における使用のための触媒組成物、このような触媒組成物の製造および使用のための方法、ならびにこのような触媒組成物を使用する触媒物品およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気物質は、粒子状物質（ＰＭ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を含む。ＮＯｘは、とりわけ一酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯ２）を含む窒素酸化物の様々な化学種を表すために用いられる用語である。排気粒子状物質の２種の主成分は、可溶性有機成分（ＳＯＦ）および煤成分である。ＳＯＦは、層をなして煤に凝縮し、一般に、未燃ディーゼル燃料および潤滑油に由来する。ＳＯＦは、排気ガスの温度に応じて、蒸気として、またはエアロゾル（すなわち、凝縮液の微細な液滴）としてディーゼル排気中に存在し得る。煤は主に、炭素の粒子から構成される。排気のＨＣ分は、エンジンタイプおよび運転パラメータに応じて様々であり得るが、典型的には、例えば、メタン、エテン、エチン、プロペンなどの様々な短鎖炭化水素を含む。
【０００３】
白金族金属（ＰＧＭ）を含む触媒は、炭化水素および一酸化炭素から二酸化炭素および水への酸化を触媒することにより、これらの汚染物質を変換するディーゼルエンジンの排気の処理において有用である。加えて、白金を含む酸化触媒は、ＮＯからＮＯ２への酸化を促進する。高負荷ディーゼルシステムについて、このような触媒は一般に、再生ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）系、触媒煤フィルター（ＣＳＦ）系または複合ＤＯＣ−ＣＳＦ系内に含まれる。生じた排気が大気中に排出される前にこれを処理するために、これらの触媒系が、ディーゼル動力システムからの排気流路内に配される。典型的には、ディーゼル酸化触媒は、セラミック基材または金属基材の上に堆積される。ＮＯｘ種のさらなる還元のために、このようなシステムはさらに、典型的には、ＤＯＣ触媒の下流に少なくとも一種の選択接触還元（ＳＣＲ）触媒を含む。軽負荷および中負荷用途において、システムは、ＮＯｘの貯蔵および還元、ならびに排気流からの一酸化炭素および未燃炭化水素の除去の役目を果たすリーンＮＯｘトラップ（ＬＮＴ）を含んでもよい。
【０００４】
内燃機関の排気を処理するのに使用される触媒は、エンジン運転の初期のコールドスタート期間などの比較的低温の運転時は、効率的な触媒変換が起こるにはエンジン排気が十分高温でないため効果が弱い。これは、適した運転温度に達するのに数分かかることがあるＳＣＲ触媒などの下流の触媒構成要素に特にあてはまる。
【０００５】
始動条件時に触媒物品の電気加熱を使用する方法が提案されている。例えば、米国特許出願公開第２０１１／００７２８０５号、第２０１４／００３３６８８号および第２０１５／００８７４９７号、ならびに米国特許第８，２９２，９８７号および第８，４７９，４９６号を参照されたい。典型的な手法では、電気ヒーター、例えば、触媒基材の外側に巻かれた電線により、または発熱体としての役目を果たす金属基材自体により熱を発生させる。まず触媒基材を加熱する必要があるため、比較的高いエネルギー消費を必要とし、加熱効率が比較的低いことを含め、このようなシステムの商業化が成功するためには、いくつかの課題が存在する。加えて、当技術分野における電気加熱設計のほとんどが金属基材を使用し、多くのシステムにおいて触媒担体として使用される、より広く採用されたセラミック基材と適合しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／００７２８０５号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／００３３６８８号
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１５／００８７４９７号
【特許文献４】米国特許第８，２９２，９８７号
【特許文献５】米国特許第８，４７９，４９６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンからのガス状汚染物質のテールパイプ排気物質、特に、エンジンのコールドスタート時に発生する破過排気物質を低減することが当技術分野において引き続き必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、触媒活性粒子と、印加された交流電磁場に応答して誘導加熱することができる磁性材料との混合物を含む触媒組成物を提供する。本発明は、特に、従来の触媒系が、エンジンのコールドスタート時など、触媒活性に寄与する運転温度に達するのに数分を要するときに、触媒活性の効率を改善する目的で触媒層を加熱するのに使用され得る。例示的な磁性材料は、強磁性材料および常磁性材料を含む。磁性材料の形態は様々であってよいが、特定の実施形態において、磁性材料は、触媒組成物内で容易に分散する粒子状であり、特に、超常磁性材料と分類されるナノ粒子磁性材料を含む。
【０００９】
交流電磁場の存在下で誘導加熱することができる任意の材料を使用することができるが、有利な磁性材料は、遷移金属または希土類金属を含む材料、特に、このような遷移金属または希土類金属を含む酸化物を含む。特定の実施形態において、磁性材料は、超常磁性酸化鉄ナノ粒子またはネオジム−鉄−ホウ素粒子もしくはサマリウム−コバルト粒子を含む希土類含有微粒子材料を含む。
【００１０】
触媒組成物の触媒活性粒子は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンの排出制御システムにおいて一般に使用される任意の触媒活性材料など、本発明から逸脱することなく様々であってよい。例えば、触媒活性粒子は、一酸化炭素の酸化、炭化水素の酸化、ＮＯｘの酸化、アンモニアの酸化、ＮＯｘの選択接触還元およびＮＯｘ貯蔵／還元のうちの１つまたは複数に対して適合された組成物の一部であり得る。このような触媒材料は、典型的には、多孔質担体中に含浸またはイオン交換された一種または複数の触媒金属を含み、例示的な担体は、耐熱金属酸化物およびモレキュラーシーブを含む。特定の実施形態において、触媒金属は、卑金属、白金族金属、卑金属または白金族金属の酸化物およびこれらの組み合わせから選択される。本発明の触媒組成物が使用され得る触媒系のタイプは、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、触媒化煤フィルター（ＣＳＦ）、リーンＮＯｘトラップ（ＬＮＴ）、選択接触還元（ＳＣＲ）触媒、アンモニア酸化（ＡＭＯｘ）触媒および三元触媒（ＴＷＣ）を含む。別の例は、揮発性有機炭化水素（ＶＯＣ）酸化触媒または室温炭化水素酸化触媒として使用するのに適合された触媒活性粒子を含む。
【００１１】
別の態様において、本発明は、触媒材料を加熱するのに適合されたシステムであって、ガス流に対して適合された複数本のチャネルおよび各チャネルに付着された触媒層を含む基材の形態の触媒物品であり、触媒層が、触媒活性材料およびその内部に分散された磁性材料（例えば、超常磁性材料）を含み、磁性材料が、印加された交流電磁場に応答して誘導加熱することができる、触媒物品と、電流を受け、それに応答して交流電磁場を発生させるための導体であり、発生交流電磁場が磁性材料の少なくとも一部に印加されるように配置された、導体とを含む、システムを提供する。導体は、例えば、触媒物品の少なくとも一部を取り囲む導線のコイルの形態であり得る。システムはさらに、導体に交流を供給するために導体に電気的に接続された電源を含んでもよい。基材は、例えば、フロースルー基材またはウォールフローフィルターであり得る。さらにシステムは、触媒物品に入るガスの温度を測定するために配置された温度センサおよび温度センサと連通しているコントローラを含んでもよく、コントローラは、触媒層の誘導加熱が望まれるときにコントローラが導体に電流を流すことができるように、導体が受けた電流の制御に対して適合されている。
【００１２】
さらに別の態様において、本発明は、内燃機関からの排気物質を処理する方法であって、内燃機関内で排気ガスを発生させること、本明細書に記載の触媒物品および導体を含む排出制御システム内で排気ガスを処理すること、ならびに導体に電流を通すことにより導体に間欠通電して、交流電磁場を発生させ、磁性材料を誘導加熱して、触媒層を所望の温度まで加熱することを含む、方法を提供する。
【００１３】
本発明は、限定はされないが、以下の実施形態を含む。
【００１４】
実施形態１：触媒活性粒子と、印加された交流電磁場に応答して誘導加熱することができる磁性材料との混合物を含む触媒組成物。
【００１５】
実施形態２：磁性材料が超常磁性である、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物。
【００１６】
実施形態３：磁性材料が粒子状である、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物。
【００１７】
実施形態４：磁性材料がナノ粒子状である、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物。
【００１８】
実施形態５：磁性材料が、遷移金属または希土類金属を含む、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物。
【００１９】
実施形態６：磁性材料が、超常磁性酸化鉄ナノ粒子を含む、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物。
【００２０】
実施形態７：磁性材料が、ネオジム−鉄−ホウ素粒子またはサマリウム−コバルト粒子を含む希土類含有微粒子材料を含む、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物。
【００２１】
実施形態８：触媒活性粒子が、一酸化炭素の酸化、炭化水素の酸化、ＮＯｘの酸化、アンモニアの酸化、ＮＯｘの選択接触還元およびＮＯｘ貯蔵／還元のうちの１つまたは複数に対して適合されている、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物。
【００２２】
実施形態９：触媒活性粒子が、多孔質担体中に含浸またはイオン交換された一種または複数の触媒金属を含む、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物。
【００２３】
実施形態１０：多孔質担体が、耐熱金属酸化物またはモレキュラーシーブである、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物。
【００２４】
実施形態１１：一種または複数の触媒金属が、卑金属、白金族金属、卑金属または白金族金属の酸化物およびこれらの組み合わせから選択される、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物。
【００２５】
実施形態１２：触媒活性粒子が、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、触媒化煤フィルター（ＣＳＦ）、リーンＮＯｘトラップ（ＬＮＴ）、選択接触還元（ＳＣＲ）触媒、アンモニア酸化（ＡＭＯｘ）触媒または三元触媒（ＴＷＣ）として使用するのに適合されている、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物。
【００２６】
実施形態１３：触媒活性粒子が、揮発性有機炭化水素（ＶＯＣ）酸化触媒または室温炭化水素酸化触媒として使用するのに適合されている、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物。
【００２７】
実施形態１４：触媒材料を加熱するのに適合されたシステムであって、
ガス流に対して適合された複数本のチャネルおよび各チャネルに付着された触媒層を含む基材の形態の触媒物品であり、触媒層が、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物を含む、触媒物品と、
電流を受け、それに応答して交流電磁場を発生させるための導体であり、発生交流電磁場が磁性材料の少なくとも一部に印加されるように配置された、導体と
を含む、システム。
【００２８】
実施形態１５：導体が、触媒物品の少なくとも一部を取り囲む導線のコイルの形態である、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載のシステム。
【００２９】
実施形態１６：導体に交流を供給するために導体に電気的に接続された電源をさらに含む、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載のシステム。
【００３０】
実施形態１７：基材が、フロースルー基材またはウォールフローフィルターである、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載のシステム。
【００３１】
実施形態１８：触媒物品に入るガスの温度を測定するために配置された温度センサおよび温度センサと連通しているコントローラをさらに含み、コントローラは、触媒層の誘導加熱が望まれるときにコントローラが導体に電流を流すことができるように、導体が受けた電流の制御に対して適合されている、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載のシステム。
【００３２】
実施形態１９：内燃機関からの排気物質を処理する方法であって、
内燃機関内で排気ガスを発生させること、
ガス流に対して適合された複数本のチャネルおよび各チャネルに付着された触媒層を含む基材の形態の触媒物品であり、触媒層が、先行するまたは以降の実施形態のいずれかに記載の触媒組成物を含む触媒物品と、電流を受け、それに応答して交流電磁場を発生させるための導体であり、発生交流電磁場が磁性材料の少なくとも一部に印加されるように配置された導体とを含む排出制御システム内で、排気ガスを処理すること、ならびに
導体に電流を通すことにより導体に間欠通電して、交流電磁場を発生させ、磁性材料を誘導加熱して、触媒層を所望の温度まで加熱すること
を含む、方法。
【００３３】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様ならびに利点は、以下で簡潔に説明する添付図面と共に以下の発明を実施するための形態を読むことで明らかになるであろう。本発明は、２つ、３つ、４つまたはそれ以上の上述の実施形態の任意の組み合わせ、ならびに本開示に記載の任意の２つ、３つ、４つまたはそれ以上の特徴または要素の組み合わせを含み、このような特徴または要素が、本明細書の特定の実施形態の説明において明示的に組み合わせられているかは問わない。本開示は全体的に解釈されることが意図され、したがって、文脈により特に明確に定められていない限り、開示されている発明の任意の分離可能な特徴または要素は、その様々な態様および実施形態のいずれかにおいて組み合わせ可能であると見なされる。本発明の他の態様および利点は以下から明らかになるであろう。
【００３４】
本発明の実施形態を理解できるようにするために添付図面を参照するが、これらは必ずしも原寸に比例して描かれておらず、参照番号は、本発明の例示的な実施形態の構成要素を指す。図面は単に例示であり、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１Ａ】本発明による触媒組成物を含み得るハニカムタイプの基材の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示した複数本のガス流路を拡大表示する、図１Ａと比べて拡大した、図１Ａの担体の端面と平行な平面に沿った部分断面図である。
【図２】本発明の触媒組成物が利用されている排気処理システムの実施形態の概略図である。
【図３】画像に重ね合わせられた磁性粒子を示し、触媒組成物中のこのような粒子の分散を示す例示的な触媒組成物層のＳＥＭ像である。
【図４】電気導体、コントローラ、電源および温度センサを示す、本発明の触媒組成物が利用されている排気処理システムの実施形態の概略図である。
【図５】絶縁電気コイル内に配置され、内部に被覆された触媒組成物を有する基材を示す、本明細書の実験の部に記載の実験装置の上面図である。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、図５に記載のものと同じ一般的な実験装置の上面図であり、（Ａ）は、周囲のコイルに電流を通して３０秒後の触媒組成物中に分散された超常磁性酸化鉄ナノ粒子（ＳＰＩＯＮ）を含む被覆された触媒物品の内部温度を示し、（Ｂ）は、周囲のコイルに電流を通して３０秒後の超常磁性酸化鉄ナノ粒子（ＳＰＩＯＮ）を含まない比較の被覆された触媒物品の内部温度を示す。
【図７】誘導加熱された被覆された触媒物品内の温度上昇を示すグラフである。
【図８】超常磁性酸化鉄ナノ粒子（ＳＰＩＯＮ）を含まない比較の被覆されたＣｕＣＨＡ触媒物品および触媒組成物中に分散された超常磁性酸化鉄ナノ粒子（ＳＰＩＯＮ）を含むＣｕＣＨＡ被覆された触媒物品の触媒性能を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
これから本発明を以下でさらに詳しく説明する。本発明は、本明細書において特定の実施形態を参照して説明されてきたが、これらの実施形態は、本発明の原理および応用の単なる例示であると理解されるべきである。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明の方法および装置に対して様々な修正および変形が行われ得ることが当業者には明らかになるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内の修正および変形を含むことが意図される。本発明は、以下の説明に記載の構成または方法工程の詳細に限定されないと理解されるべきである。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々に実施または実行され得る。同様の番号は、全体を通して同様の要素を指す。本明細書および特許請求の範囲において使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈により特に明確に定められていない限り、複数の指示対象を含む。
【００３７】
本発明は、触媒活性粒子と、印加された交流電磁場に応答して誘導加熱することができる磁性材料（例えば、超常磁性材料）との混合物を含む触媒組成物を提供する。触媒材料内に分散された磁性材料、あるいは触媒材料と密接に接触した磁性材料の誘導加熱の使用は、熱を触媒材料に導くための効率的な手段であり、エンジンのコールドスタート時など、触媒系が短期間で触媒活性に寄与する運転温度に達する必要があるときに特に有利である。触媒材料がより速やかに所望の温度に達するようにすることで、低温での触媒の運転に通常は関連する望ましくないガス状汚染物質の破過が最小限に抑えられ得る。例示的な磁性材料は、強磁性材料および常磁性材料を含む。磁性材料の形態は様々であってよいが、特定の実施形態において、磁性材料は、触媒組成物内で容易に分散する粒子状であり、特に、超常磁性材料と表されるナノ粒子磁性材料を含む。しかし、特定の実施形態において、磁性材料は、ナノワイヤ、ナノチューブの形態で使用することができ、または磁性材料が触媒材料と密接に接触している限り、シートの形態で使用することができる。
【００３８】
交流電磁場の存在下で誘導加熱することができる任意の材料を使用することができるが、有利な磁性材料は、遷移金属または希土類金属を含む材料、特に、このような遷移金属または希土類金属を含む酸化物を含む。「希土類金属」は、スカンジウム、イットリウムおよび元素周期表に記載のランタン系列、またはこれらの酸化物を指す。希土類金属の例は、ランタン、タングステン、セリウム、ネオジム、ガドリニウム、イットリウム、プラセオジム、サマリウム、ハフニウムおよびこれらの混合物を含む。磁性材料の成分として使用され得る遷移金属の例は、鉄、ニッケルおよびコバルトを含む。遷移金属と希土類金属との混合物が同じ磁性材料中で使用され得る。
【００３９】
金属酸化物は、エンジンからの排気物質を処理するのに使用される触媒系にしばしば関連する運転温度で安定性が高い傾向があるため、多くの磁性金属の酸化物の形態が、本発明における使用に特に有利である。特定の実施形態において、磁性材料は、超常磁性酸化鉄ナノ粒子（ＳＰＩＯＮ粒子）またはネオジム−鉄−ホウ素粒子もしくはサマリウム−コバルト粒子を含む希土類含有微粒子材料を含む。一種の実施形態において、磁性材料は、約５〜約５０ｎｍまたは約１０〜約４０ｎｍなど、約１００ｎｍ未満の平均粒径を有するＳＰＩＯＮ粒子（例えば、酸化鉄（ＩＩＩ）粒子）を含む。
【００４０】
磁性材料は、触媒材料と様々に組み合わせることができる。特定の実施形態において、磁性材料は、基材の被覆の前に触媒材料と混合される。例えば、磁性材料は、被覆の前にウォッシュコートスラリーに加えることができ、触媒材料内に分散させることができる。あるいは、磁性材料自体が触媒活性金属の担体材料として役目を果たし得、これは、本明細書に概要が記載されるタイプの触媒活性金属（例えば、ＰＧＭまたは卑金属）が、含浸またはスプレードライなど、様々な方法を使用して、表面被覆として磁性材料上に加えられ得ることを意味する。磁性材料はまた、ハニカムモノリス基材の壁に埋め込まれ得、または触媒活性成分の上部もしくは底部の担体としての役目を果たす別個の層として被覆され得る。
【００４１】
触媒材料
触媒組成物の触媒活性粒子は、本発明から逸脱することなく様々であってよく、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンの排出制御システムにおいて一般に使用される任意の触媒活性材料を含み得る。例えば、触媒活性粒子は、一酸化炭素の酸化、炭化水素の酸化、ＮＯｘの酸化、アンモニアの酸化およびＮＯｘの選択接触還元のうちの１つまたは複数に対して適合された組成物の一部であり得る。
【００４２】
このような触媒材料は、典型的には、多孔質担体中に含浸またはイオン交換された一種または複数の触媒金属を含み、例示的な担体は、耐熱金属酸化物およびモレキュラーシーブを含む。特定の実施形態において、触媒金属は、卑金属、白金族金属、卑金属または白金族金属の酸化物およびこれらの組み合わせから選択される。本発明の触媒組成物が使用され得る触媒系のタイプは、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、触媒化煤フィルター（ＣＳＦ）、リーンＮＯｘトラップ（ＬＮＴ）、選択接触還元（ＳＣＲ）触媒、アンモニア酸化（ＡＭＯｘ）触媒および三元触媒（ＴＷＣ）を含む。別の例は、揮発性有機炭化水素（ＶＯＣ）酸化触媒または室温炭化水素酸化触媒として使用するのに適合された触媒活性粒子を含む。
【００４３】
本明細書において用いられるとき、「白金族金属」または「ＰＧＭ」は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）およびこれらの混合物を含む白金族金属またはその酸化物を指す。特定の実施形態において、白金族金属は、例えば、約１：１０〜約１０：１の質量比の白金およびパラジウムの組み合わせを含む。ＰＧＭ成分（例えば、Ｐｔ、Ｐｄまたはこれらの組み合わせ）の濃度は様々であってよいが、典型的には、耐熱酸化物担体材料などの多孔質担体の質量に対して約０．１ｗｔ．％〜約１０ｗｔ．％（例えば、耐熱酸化物担体に対して約１ｗｔ．％〜約６ｗｔ．％）になる。
【００４４】
本明細書において用いられるとき、「卑金属」は、ＣＯ、ＮＯまたはＨＣの酸化に対して触媒活性がある、あるいはＣＯ、ＮＯまたはＨＣの酸化に対してさらに活性が高くなるよう別の触媒成分を活性化する遷移金属もしくはランタニド（例えば、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、ＡｕまたはＳｎ）またはこれらの酸化物を指し、特に、銅、マンガン、コバルト、鉄、クロム、ニッケル、セリウムおよびこれらの組み合わせを含む。本明細書において参照しやすくするため、卑金属材料または卑金属酸化物材料の濃度は、酸化物の形態ではなく元素の金属濃度に関して報告される。卑金属酸化物成分中の卑金属（例えば、銅、マンガン、ニッケル、コバルト、鉄、セリウム、プラセオジムおよびこれらの組み合わせ）の全濃度は様々であってよいが、典型的には、耐熱酸化物担体材料などの多孔質担体の質量に対して約１ｗｔ．％〜５０ｗｔ．％（例えば、耐熱酸化物担体に対して約１０ｗｔ．％〜約５０ｗｔ．％）になる。
【００４５】
本明細書において用いられるとき、「多孔質耐熱酸化物」は、ディーゼルエンジン排気に関連する温度など、高温（例えば、約８００℃）で化学的および物理的安定性を示す多孔質金属含有酸化物材料を指す。例示的な耐熱酸化物は、原子ドープされた組み合わせを含み、高表面積化合物、または活性アルミナなどの活性化合物を含む、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、およびこれらの物理的混合物または化学的組み合わせを含む。金属酸化物の例示的な組み合わせは、アルミナ−ジルコニア、セリア−ジルコニア、アルミナ−セリア−ジルコニア、ランタナ−アルミナ、ランタナ−ジルコニア−アルミナ、バリア−アルミナ、バリアランタナ−アルミナ、バリアランタナ−ネオジミアアルミナおよびアルミナ−セリアを含む。例示的なアルミナは、大細孔ベーマイト、ガンマ−アルミナおよびデルタ／シータアルミナを含む。有用な市販のアルミナは、高嵩密度ガンマ−アルミナ、低または中嵩密度大細孔ガンマ−アルミナ、ならびに低嵩密度大細孔ベーマイトおよびガンマ−アルミナなどの活性アルミナを含む。
【００４６】
アルミナ担体材料などの高表面積耐熱酸化物担体は、「ガンマアルミナ」または「活性アルミナ」とも呼ばれ、典型的には、６０ｍ２／ｇを超え、多くの場合、最大約２００ｍ２／ｇ以上のＢＥＴ表面積を示す。このような活性アルミナは、通常、アルミナのガンマ相およびデルタ相の混合物であるが、相当量のエータアルミナ相、カッパアルミナ相およびシータアルミナ相も含んでもよい。「ＢＥＴ表面積」は、Ｎ２吸着により表面積を決定するためのブルナウアー、エメット、テラー法を指すその通常の意味を有する。望ましくは、活性アルミナは、６０〜３５０ｍ２／ｇ、典型的には９０〜２５０ｍ２／ｇの比表面積を有する。
【００４７】
本明細書において用いられるとき、用語「モレキュラーシーブ」は、粒子状で、触媒金属を担持し得るゼオライトおよび他のゼオライト系骨格材料（例えば、同形置換材料）を指す。モレキュラーシーブは、一般に四面体型のサイトを含み、実質的に均一な細孔分布を有する酸素イオンの広範な三次元のネットワークに基づく材料であり、平均細孔径は２０Å以下である。細孔径は、環サイズにより定義される。本明細書において用いられるとき、用語「ゼオライト」は、ケイ素原子およびアルミニウム原子をさらに含むモレキュラーシーブの特定の例を指す。一つまたは複数の実施形態によれば、その構造型によってモレキュラーシーブを定義することにより、同じ構造型を有するシリコ−アルミノ−ホスフェート（ＳＡＰＯ）材料、アルミノ−ホスフェート（ＡＬＰＯ）材料および金属−アルミノ−ホスフェート（ＭｅＡＰＯ）材料、ならびにボロシリケート、ガロシリケート、例えば、ＳＢＡ−１５またはＭＣＭ−４１などのメソポーラスシリカ材料など、構造型およびあらゆるすべての同形の骨格材料を含むことが意図されていることが理解されるであろう。
【００４８】
特定の実施形態において、モレキュラーシーブは、菱沸石、フェリエライト、クリノプチロライト、シリコ−アルミノ−ホスフェート（ＳＡＰＯ）、ベータゼオライト、Ｙ−ゼオライト、モルデナイト、フォージャサイト、ＺＳＭ−５、メソポーラス材料およびこれらの組み合わせからなる群から選択されるゼオライトまたはゼオタイプを含んでもよい。ゼオライトは、Ｌａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｅおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される金属などの金属でイオン交換されてもよい。
【００４９】
金属イオン交換モレキュラーシーブの製造は、典型的には、金属前駆体溶液による粒子状のモレキュラーシーブのイオン交換法を含む。例えば、金属イオン交換モレキュラーシーブは、以前、Ｂｕｌｌらによる米国特許第９，１３８，７３２号およびＴｒｕｋｈａｎらによる米国特許第８，７１５，６１８号に記載のイオン交換法を使用して製造されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００５０】
ＳＣＲ触媒材料として有用なモレキュラーシーブ中のアルミナに対するシリカの比は、広範囲にわたって様々であってよい。一つまたは複数の実施形態において、ＳＣＲ触媒材料として有用なモレキュラーシーブは、５〜２５０、５〜２００、５〜１００および５〜５０を含む２〜３００の範囲内のアルミナに対するシリカのモル比（ＳＡＲ）を有する。
【００５１】
アンモニアによる窒素酸化物の選択接触還元のための、とりわけ、鉄促進および銅促進ゼオライト触媒を含む金属促進ゼオライト触媒が特に有利である。酸化物として計算される、このような触媒中の促進剤金属含有量は、一つまたは複数の実施形態において、揮発分を含めずに報告される少なくとも約０．１ｗｔ．％である。特定の実施形態において、促進剤金属はＣｕを含み、ＣｕＯとして計算されるＣｕ含有量は、揮発分を含めずに報告される焼成ゼオライト成分の総質量に対して、それぞれの場合において９、８、７、６、５、４、３、２、１、０．５および０．１ｗｔ．％を含む最大約１０ｗｔ．％の範囲内である。特定の実施形態において、ＣｕＯとして計算されるＣｕ含有量は、約１〜約６ｗｔ．％の範囲内である。
【００５２】
本発明において使用される触媒材料は、機能およびタイプ、ならびに上で述べた構成材料に基づいて記述され得る。例えば、触媒材料は、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、触媒化煤フィルター（ＣＳＦ）、リーンＮＯｘトラップ（ＬＮＴ）、選択接触還元（ＳＣＲ）触媒または三元触媒（ＴＷＣ）であり得る。
【００５３】
ＤＯＣ触媒またはＣＳＦ触媒は、典型的には、アルミナなどの金属酸化物担体に含浸された一種または複数のＰＧＭ成分を含み、任意に、セリアなどの酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）をさらに含み、典型的には、炭化水素および一酸化炭素の両方の酸化を実現する。
【００５４】
ＬＮＴ触媒は、一般に、担体に含浸された一種または複数のＰＧＭ成分、およびＮＯｘ捕捉成分（例えば、セリアおよび／またはアルカリ土類金属酸化物）を含む。ＬＮＴ触媒は、リーン条件下でＮＯｘを吸着することができ、リッチ条件下で貯蔵ＮＯｘを窒素に還元することができる。
【００５５】
ＳＣＲ触媒は、適量の酸素の存在下での還元剤による窒素酸化物の触媒還元に対して適合されている。還元剤は、例えば、炭化水素、水素および／またはアンモニアであってもよい。ＳＣＲ触媒は、典型的には、銅または鉄などの促進剤金属でイオン交換されたモレキュラーシーブ（例えば、ゼオライト）を含み、例示的なＳＣＲ触媒は、ＦｅＣＨＡおよびＣｕＣＨＡを含む。
【００５６】
ＴＷＣ触媒は、炭化水素、一酸化炭素および窒素酸化物が実質的に同時に変換される三元変換の機能を指す。典型的には、ＴＷＣ触媒は、パラジウムおよび／またはロジウム、任意に白金などの一種または複数の白金族金属、ならびに酸素貯蔵成分を含む。リッチ条件下、ＴＷＣ触媒は、典型的にはアンモニアを発生する。
【００５７】
ＡＭＯｘ触媒はアンモニア酸化触媒を指し、これは、アンモニアの変換に適した一種または複数の金属を含む触媒であり、一般に、アルミナなどの担体材料上に担持されている。例示的なＡＭＯｘ触媒は、銅ゼオライトを、担持された白金族金属（例えば、アルミナに含浸された白金）と共に含む。
【００５８】
触媒組成物の調製方法
ＰＧＭ成分または卑金属成分を含む多孔質担体の製造は、典型的には、多孔質担体（例えば、粒子状アルミナなどの粒子状の耐熱酸化物担体材料）にＰＧＭまたは卑金属溶液を含浸させることを含む。複数の金属成分（例えば、白金およびパラジウム）を、同時または別々に含浸することができ、インシピエントウェットネス法を使用して同じ担体粒子または別個の担体粒子に含浸することができる。担体粒子は、典型的には、実質的にすべての溶液を吸収するほど十分乾燥しており、湿潤固体を生成する。硝酸パラジウムまたは硝酸白金、硝酸テトラアンミンパラジウムまたは硝酸テトラアンミン白金、酢酸テトラアンミンパラジウムまたは酢酸テトラアンミン白金、硝酸銅（ＩＩ）、硝酸マンガン（ＩＩ）および硝酸セリウムアンモニウムなど、金属成分の水溶性化合物または錯体の水溶液が通常利用される。金属溶液による担体粒子の処理後、高温（例えば、１００〜１５０℃）で、ある時間（例えば、１〜３時間）、粒子を熱処理し、次いで、金属成分をさらに触媒活性のある形態に変換するために焼成することなどにより、粒子は乾燥される。例示的な焼成法は、空気中、約４００〜５５０℃の温度で１〜３時間熱処理するものである。上述の方法は、所望の含浸レベルに達するために、必要に応じて繰り返すことができる。得られた材料は、乾燥粉末として、またはスラリー状で貯蔵することができる。
【００５９】
金属イオン交換モレキュラーシーブの製造は、典型的には、金属前駆体溶液による粒子状のモレキュラーシーブのイオン交換法を含む。複数の金属前駆体は、同時または別々にイオン交換することができ、同じ外部溶液または別個の外部溶液を使用することができ、同じか、または異なる担体粒子上でイオン交換される。
【００６０】
イオン交換法の間、結合強度がより弱く、かつ多孔質担体内に存在するイオン、例えば、ゼオライトが、関心のある外部の金属イオンと交換される。例えば、細孔内に存在するナトリウムイオンを含む製造されたゼオライトは、イオン交換された多孔質担体を生成するために、異なるイオンと交換することができる。これは、関心のある交換される外部の金属イオンを含む溶液中の多孔質担体のスラリーを製造することにより実現される。この方法の間、熱が任意に加えられてもよい。外部の金属イオンは、ここで担体の細孔内に拡散することができ、存在するイオン、すなわち、ナトリウムと交換して、金属イオン交換多孔質担体を生成することができる。
【００６１】
例えば、特定の実施形態において、金属イオン交換モレキュラーシーブは、Ｂｕｌｌらによる米国特許第９，１３８，７３２号およびＴｒｕｋｈａｎらによる米国特許第８，７１５，６１８号に記載のイオン交換法を使用して製造されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。これらのイオン交換法は、銅イオン交換ＣＨＡゼオライト触媒の製造を記載する。
【００６２】
基材
一つまたは複数の実施形態によれば、触媒組成物用の基材は、自動車触媒を製造するために通常使用される任意の材料で構成されてもよく、典型的には、金属またはセラミックハニカム構造を含む。基材は、典型的には、触媒組成物がその上に付与および付着される複数の壁面を与え、それにより、触媒組成物用の担体として働く。
【００６３】
例示的な金属基材は、チタンおよびステンレス鋼、ならびに鉄がかなりの成分または主成分である他の合金などの耐熱金属および金属合金を含む。このような合金は、ニッケル、クロムおよび／またはアルミニウムのうちの一種または複数を含んでもよく、これらの金属の総量が、少なくとも１５ｗｔ．％の合金、例えば、１０〜２５ｗｔ．％のクロム、３〜８ｗｔ．％のアルミニウムおよび最大２０ｗｔ．％のニッケルを有利に含んでもよい。合金は、少量または微量の一種または複数の他の金属、例えば、マンガン、銅、バナジウム、チタンなども含んでもよい。基材の表面に酸化物層を形成して、合金の耐食性を改善し、かつ金属表面へのウォッシュコート層の付着を容易にするために、表面または金属担体が高温、例えば、１０００℃以上で酸化されてもよい。
【００６４】
基材を構成するのに使用されるセラミック材料は、任意の適した耐熱材料、例えば、コーディエライト、ムライト、コーディエライト−αアルミナ、窒化ケイ素、ジルコンムライト、リシア輝石、アルミナ−シリカ−マグネシア、ジルコンシリケート、シリマナイト、マグネシウムシリケート、ジルコン、葉長石、αアルミナ、アルミノシリケートなどを含んでもよい。
【００６５】
流路が流体流に対して開いているように、基材の入口面から出口面まで延びる複数本の平行な細いガス流路を有するモノリシックフロースルー基材など、任意の適した基材が使用されてもよい。入口から出口までの実質的に直線の経路である流路は、流路内を流れるガスが触媒材料と接触するように、触媒材料がウォッシュコートとして被覆されている壁によって画定されている。モノリシック基材の流路は、任意の適した断面形状、例えば、台形、長方形、正方形、正弦曲線、六角形、楕円形、円形などのものにすることができる薄肉のチャネルである。このような構造は、断面１平方インチ当たり約６０〜約１２００セル（ｃｐｓｉ）以上、より一般には約３００〜６００ｃｐｓｉのガス入口開口部（すなわち、「セル」）を含んでもよい。フロースルー基材の肉厚は様々であってよく、典型的な範囲は０．００２〜０．１インチの間である。代表的な市販のフロースルー基材は、４００ｃｐｓｉおよび６ｍｉｌの肉厚、または６００ｃｐｓｉおよび４ｍｉｌの肉厚を有するコーディエライト基材である。しかし、本発明は、特定の基材タイプ、材料または幾何形状に限定されないことが理解されるであろう。
【００６６】
代替の実施形態において、基材は、各流路が基材本体の一端で非多孔質プラグにより塞がれており、流路が一本置きに反対側の端面で塞がれているウォールフロー基材であってもよい。これは、ウォールフロー基材の多孔質壁を通るガス流が出口に達することを必要とする。このようなモノリシック基材は、約１００〜４００ｃｐｓｉ、より典型的には約２００〜約３００ｃｐｓｉなど、最大約７００ｃｐｓｉ以上を含んでもよい。セルの断面形状は、上述の通り様々であってよい。ウォールフロー基材は、典型的には、０．００２〜０．１インチの間の肉厚を有する。代表的な市販のウォールフロー基材は、多孔質コーディエライトから構成され、この一例は、２００ｃｐｓｉおよび１０ｍｉｌの肉厚、または３００ｃｐｓｉおよび８ｍｉｌの肉厚、ならびに４０〜７０％の間の壁多孔度を有する。アルミニウム−チタネート、炭化ケイ素および窒化ケイ素などの他のセラミック材料もウォールフローフィルター基材として使用される。しかし、本発明は、特定の基材タイプ、材料または幾何形状に限定されないことが理解されるであろう。基材がウォールフロー基材である場合、それに関連する触媒組成物（例えば、ＣＳＦ組成物）は、壁の表面に配されることに加えて、多孔質壁の細孔構造内に浸透することができる（すなわち、細孔開口部を部分的または完全に塞ぐ）ことに留意されたい。
【００６７】
図１Ａおよび図１Ｂは、本明細書に記載のウォッシュコート組成物で被覆されたフロースルー基材の形態の例示的な基材２を示す。図１Ａを参照すると、例示的な基材２は、円筒形および円筒形外面４、上流端面６、および端面６と同一の対応する下流端面８を有する。基材２は、その内部に形成された複数本の平行な細いガス流路１０を有する。図１Ｂに見られるように、流路１０は、壁１２により形成され、上流端面６から下流端面８まで担体２を通って延び、そのガス流路１０を介して担体２を通る長手方向に流体流、例えば、ガス流を可能にするように、流路１０は塞がれていない。図１Ｂにさらに容易に見られるように、壁１２は、ガス流路１０が実質的に規則的な多角形を有するような寸法および構成にされる。示す通り、触媒組成物は、希望するならば、複数層の別個の層で付与することができる。例示した実施形態において、触媒組成物は、担体部材の壁１２に付着された別個の底層１４、および底層１４の上に被覆された第２の別個の上層１６の両方からなる。本発明は、１層または複数層（例えば、２層、３層または４層）の触媒層を使用して実施することができ、図１Ｂに例示した２層の実施形態に限定されない。
【００６８】
ウォッシュコート成分もしくは触媒金属成分または組成物の他の成分の量の記述において、触媒基材の単位体積当たりの成分の質量の単位を使用することが好都合である。したがって、グラム／立方インチ（「ｇ／ｉｎ３」）およびグラム／立方フィート（「ｇ／ｆｔ３」）の単位が、本明細書において、基材のボイド空間の体積を含む基材の体積当たりの成分の質量を意味するために用いられる。ｇ／Ｌなど、体積当たりの質量の他の単位も場合により使用される。モノリシックフロースルー基材などの触媒基材上の（触媒金属および担体材料を含む）触媒組成物の総添加量は、典型的には約０．５〜約６ｇ／ｉｎ３、より典型的には約１〜約５ｇ／ｉｎ３である。担体材料を含まないＰＧＭ成分または卑金属成分の総添加量は、典型的には約５〜約２００ｇ／ｆｔ３（例えば、１０〜約１００ｇ／ｆｔ３）の範囲内である。これらの単位体積当たりの質量は、典型的には、触媒ウォッシュコート組成物での処理前後に触媒基材を秤量することにより計算され、処理方法は、触媒基材を高温で乾燥および焼成するものであるから、ウォッシュコートスラリーの実質的にすべての水が除去されているため、これらの質量は実質的に無溶媒の触媒被覆を表すことに留意されたい。
【００６９】
基材被覆方法
触媒組成物は、粉末、ビーズまたは押出顆粒の充填床の形態で使用することができる。しかし、特定の有利な実施形態において、触媒組成物は基材上に被覆されている。触媒基材を被覆する目的でスラリーを生成するために、触媒組成物は、水と混合することができる（乾燥した形態の場合）。触媒粒子に加えて、スラリーは、任意に、バインダー、会合性増粘剤および／または界面活性剤（アニオン性、カチオン性、非イオン性または両性界面活性剤を含む）としてアルミナを含んでもよい。いくつかの実施形態において、スラリーのｐＨは、例えば、約３〜約５の酸性のｐＨに調整することができる。
【００７０】
存在するとき、アルミナバインダーは、通常、約０．０２ｇ／ｉｎ３〜約０．５ｇ／ｉｎ３の量で使用される。アルミナバインダーは、例えば、ベーマイト、ガンマ−アルミナまたはデルタ／シータアルミナにすることができる。
【００７１】
粒子の混合および均質な材料の生成を促進するために、スラリーをミル粉砕することができる。ミル粉砕は、ボールミル、連続ミルまたは他の同様の装置内で実現することができ、スラリーの固形分は、例えば、約２０〜６０ｗｔ．％、とりわけ約３０〜４０ｗｔ．％であってもよい。一種の実施形態において、ミル粉砕後のスラリーは、約１０〜約５０ミクロン（例えば、約１０〜約２０ミクロン）のＤ９０粒径により特徴付けられる。Ｄ９０は、粒子の約９０％が、さらに微細な粒径を有する粒径と定義される。
【００７２】
次いで、スラリーは、当技術分野において既知のウォッシュコート法を使用して、触媒基材上に被覆される。本明細書において用いられるとき、用語「ウォッシュコート」は、その内部を通る処理中のガス流の流路を可能にするのに十分に多孔質であるハニカムフロースルーモノリス基材またはフィルター基材などの基材に付与された材料の薄い付着性被覆の、当技術分野におけるその通常の意味を有する。本明細書において用いられるとき、Ｈｅｃｋ，ＲｏｎａｌｄおよびＲｏｂｅｒｔ  Ｆａｒｒａｕｔｏ、Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ａｉｒ  Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ：Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ、２００２年、１８〜１９頁に記載されているように、ウォッシュコート層は、モノリシック基材または下にあるウォッシュコート層の表面に配された材料の組成的に特異な層を含む。基材は、１層または複数層のウォッシュコート層を含むことができ、各ウォッシュコート層は、特有の化学的触媒機能を有することができる。
【００７３】
一種の実施形態において、基材は、スラリーに１回もしくは複数回液浸され、またはスラリーで被覆される。その後、被覆された基材は、高温（例えば、１００〜１５０℃）で、ある時間（例えば、１〜３時間）、乾燥され、次いで、例えば、４００〜６００℃で、典型的には約１０分間〜約３時間加熱することにより焼成される。乾燥および焼成の後、最終ウォッシュコート被覆層は、実質的に無溶媒と見なすことができる。
【００７４】
焼成の後、基材の被覆および未被覆の質量における差の計算により、触媒添加量を決定することができる。当業者には明らかになるであろう通り、触媒添加量は、スラリーレオロジーを変化させることにより変更することができる。加えて、所望の添加量レベルまたは厚さまで被覆を形成するために、必要に応じて被覆／乾燥／焼成法を繰り返すことができる。
【００７５】
触媒組成物は、単一層として、または多層で付与することができる。添加量レベルを高くするために同じ触媒材料のウォッシュコートを繰り返して得られる触媒層は、典型的には、触媒の単一層と見なされる。別の実施形態において、触媒組成物は、各層が異なる組成を有する多層で付与される。加えて、触媒組成物はゾーン被覆することができ、これは、ガス排出物流路に沿った異なる領域内の単一基材を異なる触媒組成物で被覆することができることを意味する。
【００７６】
磁性材料を、基材の被覆の前に触媒組成物に加えることができる。例えば、ミル粉砕操作が、スラリー全体にわたって磁性材料の分散を促進するように、好ましくはミル粉砕工程の前に、粒子状磁性材料がウォッシュコートスラリーに好都合に加えられる。
【００７７】
排気処理システム
本発明は、本明細書に記載の触媒組成物または触媒物品を組み込む排気処理システムも提供する。本発明の触媒組成物は、通常、ガソリンまたはディーゼル排気ガス物質の処理のための一種または複数の別の構成要素を含む統合された排気物質処理システム内で使用される。したがって、「排気流」、「エンジン排気流」、「排気ガス流」などの用語は、エンジン排出物ならびに本明細書に記載の一種または複数の他の触媒系構成要素の下流の排出物を指す。
【００７８】
一種の例示的な排気物質処理システムが図２に例示されており、これは、排気処理システム３２の概略図を示す。示す通り、ガス状汚染物質および粒子状物質を含む排気ガス流は、排気パイプ３６を介してエンジン３４からディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）３８まで運ばれる。ＤＯＣ３８内で、ガス状未燃炭化水素および不揮発性炭化水素（すなわち、ＳＯＦ）ならびに一酸化炭素がほとんど燃焼され、二酸化炭素および水を生成する。加えて、ＮＯｘ成分のＮＯの一部が、ＤＯＣ内でＮＯ２に酸化されることがある。排気流は、次に、排気パイプ４０を介して触媒化煤フィルター（ＣＳＦ）４２まで運ばれ、これが排気ガス流内に存在する粒子状物質を捕捉する。ＣＳＦ４２は、受動的または能動的煤再生のために任意に触媒される。ＣＳＦ４２による粒子状物質の除去後、排気ガス流は、排気パイプ４４を介して、ＮＯｘのさらなる処理および／または変換のために下流の選択接触還元（ＳＣＲ）構成要素１６まで運ばれる。上述の触媒構成要素のいずれかもしくはすべて、または他の任意の触媒構成要素が、磁性材料を含む本発明の触媒組成物を含み得ることに留意されたい。
【００７９】
図４は、例示的な排気処理システム５０の別の概略図を示し、図中、矢印５２は、エンジン排出物の進行方向を示す。示す通り、システム５０は、ＣＳＦ５６に隣接するＤＯＣ触媒５４、および所望の間隔のＣＳＦの再生に対して適合された上流の燃料添加ポート５８を含む。システム５０はさらに、下流のＳＣＲ触媒６０と、任意の別のＳＣＲ触媒および／またはそれに隣接するＡＭＯｘ触媒６２と、ＳＣＲ反応のためにアンモニアをシステムに導入するよう適合されたＳＣＲ触媒の上流の尿素注入ポート６４とを含む。例示した実施形態において、ＳＣＲ触媒６０および任意のＳＣＲ／ＡＭＯｘ触媒６２のうちの一方または両方は、本明細書に記載の磁性材料を含む。磁性材料の誘導加熱に対して適合された交流磁場６８を形成するために、電気コイル６６が、ＳＣＲ触媒６０および任意の第２のＳＣＲ／ＡＭＯｘ触媒６２を取り囲んでいる。電気コイル６６は、典型的には約５〜５０ｋＷの範囲内の出力電力および約１００〜１００００ｋＨｚの周波数の交流電流をコイルに供給することができる電源７０に電気的に接続されている。例示した実施形態は、本発明の単なる一例であることに留意されたい。代替の実施形態において、コイル６６は、ＤＯＣ触媒５４、またはシステムの他の触媒構成要素を同様に取り囲むような他の位置に配され得る。
【００８０】
システム５０はさらに、ＳＣＲ触媒６０に入るエンジン排出ガスの温度を測定するために配置された任意の温度センサ７２を含む。電源７０および温度センサ７２のいずれも、電源を制御し、かつセンサからの温度信号を受け取るように構成されたコントローラ７４に動作可能に接続されている。理解されるであろう通り、コントローラ７４は、磁性材料の誘導加熱が望まれるときはいつでも電気コイル６６に通電するよう電源にコントローラが指示を与えるように適合されたハードウェアおよび関連ソフトウェアを備えることができる。コントローラは、温度センサ７２に関連する特定の温度設定値に基づくなど様々な因子に基づいて、エンジンの点火に基づく特定の期間で（例えば、エンジン点火後、設定時間の間、磁性材料を誘導加熱するよう適合された制御システム）、または特定の事前設定された時間間隔で、誘導加熱する期間を選択することができる。
【００８１】
図４は、下流のＳＣＲ触媒に関連して誘導加熱構成要素を示しているが、本発明は、このような実施形態に限定されない。本明細書に記載の磁性材料は、触媒活性に最適な温度範囲に触媒組成物を保つために誘導加熱が有用であろう任意の触媒組成物に加えることができる。所望の温度範囲は、触媒のタイプおよび機能に応じて変化するが、典型的には、約１００℃〜４５０℃、より好ましくは約１５０℃〜３５０℃の範囲内になる。特定の例示的な例に関して、ＳＣＲ触媒は、典型的には、有用なＳＣＲ活性を促進するために少なくとも約１５０℃まで加熱される必要があり、ＤＯＣ触媒は、典型的には、有用なＣＯ酸化のために少なくとも約１２０℃まで加熱される必要があり、ＬＮＴは、典型的には、有用なＮＯｘ貯蔵のために少なくとも約２００℃まで、有用な再生／ＮＯｘ還元のために少なくとも約３００℃まで加熱される必要がある。
【００８２】
実験
本発明の特定の態様を例示するために記載され、これらを限定するものと解釈されない以下の例により、本発明の態様をさらに詳しく例示する。
【００８３】
高さ約７０ｍｍおよび幅約２５ｍｍ（肉厚０．１ｍｍ）を有するセラミックハニカムフロースルー基材を、２０〜４０ｎｍの範囲内の平均粒径を有するＳＰＩＯＮ粒子と混合された銅交換菱沸石（ＣｕＣＨＡ）（ＣｕＣＨＡ対ＳＰＩＯＮ粒子の質量比１：１）でウォッシュコートした。基材上の触媒／ＳＰＩＯＮ総添加量は約２．０ｇ／ｉｎ３であった。比較のために、同一寸法の第２のセラミックハニカム基材が、１．０ｇ／ｉｎ３のＣｕＣＨＡでウォッシュコートされている。両方の基材を、出力周波数１００〜５００ＫＨｚの１０ＫＷ高周波誘導ヒーターと関連した絶縁電気コイル内に配した。コイル内の基材を示す実験装置の上面図を図５に示した。コイルは、基材の上側おおよそ４分の３を取り囲んだ。電気コイルに通電し、基材の温度を、ＩＲ解像度１０，８００ピクセル、温度範囲２０〜２５０℃および測定精度±２℃のサーマルイメージングカメラを使用して測定した。各基材の温度を経時的に測定した。図６は、３０秒時点における２種の基材間の温度差を示す。図６Ａを見て分かる通り、サーマルイメージングカメラからの画像強度によれば、ＳＰＩＯＮ粒子を含む触媒組成物で被覆された基材は１００℃を超える温度に達したが、図６Ｂに示したＳＰＩＯＮ粒子を含まない比較の基材は、はるかに低温（約２７℃）のままであり、周囲のコイルと比べて実質的に温かくない。ＳＰＩＯＮ粒子で被覆された基材の温度プロファイルの完全なプロットが図７に示されており、これは、基材温度が約１２０秒で２００℃に達したことを示す。図８は、各触媒物品のＳＣＲ性能を示す。この比較調査は、触媒組成物中の超常磁性材料の存在が、誘導加熱システムを使用した触媒物品の効果的な加熱を可能にすることを示す。その一方で、ＳＰＩＯＮ含有Ｃｕ−ＣＨＡ触媒物品は、許容できる２００℃のＳＣＲ性能の損失を示し、これは、希釈効果による可能性がある。
【００８４】
本明細書に開示の本発明を特定の実施形態およびその応用により説明してきたが、それらに対して多くの修正および変形が、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく当業者により行われ得る。さらに、本明細書に具体的に記載されたもの以外の他の応用において、本発明の様々な態様が使用されてもよい。
【図１Ａ】
2019523694.tif 000003
【図１Ｂ】
2019523694.tif 000004
【図２】
2019523694.tif 000005
【図３】
2019523694.tif 000006
【図４】
2019523694.tif 000007
【図５】
2019523694.tif 000008
【図６】
2019523694.tif 000009
【図７】
2019523694.tif 000010
【図８】
2019523694.tif 000011
【国際調査報告】
2019523694.tif 000012
2019523694.tif 000013
2019523694.tif 000014
2019523694.tif 000015